尼龙制人工肌肉在机械外骨骼中的应用研究

摘  要：机械外骨骼是一种由钢铁的框架构成，并且可让人穿戴的机器装置，该装备可以提供额外能量来供四肢运动，可以提高单兵的速度、耐力、力量。然而当前液压、电气、电动等助力方式存在着重量大、与人体运动不完全吻合等问题，增加了人体体能消耗。针对这些难点，本文首先对机械外骨骼的执行机构进行了材料上的优化，提出了将尼龙多向人造肌肉这一新型材料代替之前液压、电气、电动等助力方式，并进行了可行性分析，在FPGA开发板上对控制过程进行了编程实现。

关键词：尼龙;人工肌肉;机械外骨骼

中图分类号：TP242;TH138.5     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）16-0168-02

Abstract：Mechanical exoskeleton is a wearable mechanical device consisting of a steel frame，which can be supplied in an amount external energy to provide limb movement can improve the speed，endurance and strength of individual soldiers. However，the current hydraulic pressure，electrical，electric and other power-assisted modes have some problems，such as heavy weight，incomplete coincidence with human motion，and increase the consumption of human physical energy. Aiming at these difficulties，this paper firstly optimizes the material of the mechanical exoskeleton executing mechanism，and puts forward a new material of nylon multi-directional artificial muscle to replace the previous hydraulic pressure，electrical，electric and other power-assisting methods，and carries out feasibility analysis. The control process is programmed on the development board of the FPGA.

Keywords：nylon;artificial muscle;mechanical exoskeleton

0  引  言

在科技高速发展和新军事变革持续深入推进的今天，單兵作战面临着如下几点困难：一是单兵作战能力要求的提高导致单兵负重严重增加;二是抗因伤致机动减弱和战场生存能力要求变高;三是多环境作战需求对体能与适应能力提出挑战;四是对抢险救灾等非战争军事行动提出考验。机械外骨骼作为单兵辅助装置，能传导、放大单兵的肢体动感，做到既增强单兵负重能力，又保持单兵的行动灵活性，使背负单兵数字化系统、大型机具、超标重武器弹药的单兵，依然具有与普通单兵相同或更高的徒步机动作战能力，能够使得单兵作战能力有飞跃性的提升。然而当前液压、气压、电动等助力方式存在着重量大、与人体运动不完全吻合等问题，增加了人体体能消耗[1]。因此有必要研究如何在减小人体自身消耗和外部能源消耗的前提下进一步提升外骨骼助力性能的方式方法。

1  当前机械外骨骼传动系统存在的问题

传统的驱动系统可分为三大类：液压驱动、气压驱动和电机驱动。但结合机械外骨骼的实际使用要求，它们各自存在相对应的缺陷，以至于它们在机械外骨骼上的应用面临困境：一是液压驱动受压液体容易泄露，工作噪声较大，能源使用效率低，传动速度低;二是气压驱动中气动装置传动速度的稳定性较差，信号传递的速度慢，控制性较差，不适用于大功率系统[2，3];三是电机驱动动态平衡特性差、质量大、惯性大、换向慢。这些驱动系统的缺点制约了机械外骨骼在单兵领域更广泛的应用。另外，当前的机械外骨骼的控制方式都存在着一个共性的问题，就是存在着滞后性，即控制方式一般都为根据人已做出的动作改变控制条件，最后达到外骨骼执行机构跟随人体动作这一方式，这就使得机械外骨骼慢于人的动作，从而导致人体“拖着”外骨骼动作，这严重增加了人体的消耗。

2  人工肌肉在外骨骼领域的应用可行性研究

尼龙制弯曲人工肌肉，对比现有仿生材料拥有更好的性能指标组合，例如在循环寿命、重量/体积能量、功率密度、效率、成本和可控性等方面都有着更加优异的表现。在材料测试实验中，尼龙制人工肌肉表现出了以下特性：一是稳定可靠的驱动表现。材料的振幅可通过一个温度函数预测并依靠函数控制振幅，在几个周期甚至一个周期内达到稳定状态;二是可靠的“捕捉状态”。也就是说，在关闭激励源后，弯曲人工肌肉可以保持在固定位置，肌肉可以锁定在当前长度而不消耗能量;三是优秀的力量/位移输出比——较大的线性拉伸致动（最高达49%）和位移/长度比（最高达125%）;四是极长的使用寿命，尼龙制人工肌肉在持续驱动下，100000个周期内振幅降低不到5%。这些优秀的性能表现，使尼龙材料制成的人工肌肉对比现有外骨骼驱动器具有更高的经济性、安全性、稳定性、可控性。

相比现有的外骨骼驱动器，尼龙材料制成的人工肌肉具有以下优点：一是稳定的驱动表现让人工肌肉在外骨骼驱动上的应用更容易实现。尼龙厚度一定并且在适宜的环境中时，热驱动会使其产生稳定的可控的振幅，这使其可控性在外骨骼驱动材料中脱颖而出，而且能够保证电压和两侧热功率输入恒定的设计理论上可以由PID控制器完成。二是可靠的“捕捉状态”让人工肌肉在外骨骼驱动上的应用可靠。类肌肉组织的“捕捉状态”让其更贴合人体，从而更好地协同运动，良好的可逆性可以在不使用任何位置传感器的情况下控制尼龙材料尖端位置;不需要耗费过多设计保证驱动器不会因为本身机械的反应而伤害穿戴者或者阻碍穿戴者行动;比起活性管、碳纳米管、压电双晶片等材料，尼龙人工肌肉只需极小的成本便能实现这种“捕捉状态”。三是优秀的力量/位移输出比在现实应用中的需要非常广泛。尼龙制人工肌肉通过扭曲缠绕高度取向的尼龙细丝，可以将拉伸应力放大至49%，并且可以实现125%的位移长度比。四是极长的使用寿命让材料更经济、更便于商业化生产。弯曲尼龙材料在10万个周期内振幅降低不到5%，相对于其他仿生材料来说是极长的使用寿命，因此尼龙制人工肌肉能够反复重复同一动作，适合应用于单兵外骨骼。

3  人工肌肉的应用及控制方法研究

3.1  整体设计思路

人体关节的转动是通过不同部分的肌肉收缩程度不同而产生的，因此用人工肌肉模拟关节转动需要使人工肌肉的不同部位产生不同程度的弯曲。人工肌肉的弯曲程度与加在其两端的电压正相关，因此本文通过控制加在人工肌肉束中的每根人工肌肉的电压来控制每根人工肌肉的收缩程度，每根肌肉产生不同程度的收缩，整体效果相当于一束人工肌肉弯曲某一角度，等效于人体关节转动了某一角度。控制部分主要分为检测模块、数据处理模块（脉冲生成+串口数据打包）、显示模块三部分。其中检测模块由旋转编码器及外围电路组成，主要是将人体关节的转角转化成脉冲信号，控制板检测到的脉冲的个数即为关节转过的角度;数据处理模块由FPGA主控板、TTL转串口组成，主要是将编码器发送来的脉冲数进行计数，并据此数据生成5路控制信号，控制信号为占空比可调的PWM脉冲，并将转角信号和控制信号的占空比打包为一帧数据包，以发送给上位机显示。占空比的大小就相当于电压的大小，占空比越大，电压越大，占空比越小，电压越小。由于不同部位的人工肌肉需要不同程度的收缩，因此需要多路电压输出，且电压不一定相同。本文只是以输出5路为例进行控制方式的说明。显示模块由串口转USB接头、HMIeditor上位机软件组成，主要是将主控板打包发送的数据进行显示。

3.2  硬件电路

采用FPGA主控板，主要考虑到其IO接口资源丰富，内部逻辑分析能力强，而人工肌肉束一般由大量的单根尼龙材料组成，每一根材料都需要单独输入电压来控制，因此需要大量的输出接口。主要包括电源模块、下载配置电路、时钟电路，其内部逻辑功能通过VHDL语言编程实现，主要是将速度编码器采集到的转角信号进行处理，根据转角不同，输出多路电压信号控制人工肌肉，使不同部位的人工肌肉实现不同程度的弯曲，整体上就相当于人體肌肉的收缩带动骨骼关节的旋转这一效果。目前本文只是将控制思路用硬件电路实现，进行一个定性的展示，具体定量的关系需要通过下步购买人工肌肉材料进行实验验证，不断调整参数。

将输入（旋转编码器）、主控板（FPGA控制板）和上位机（组态编程软件）相连接。其中，FPGA主控板和上位机通过RS232进行通信，由于FPGA主控板采用TTL3.3V电平，因此在实验中用TTL转RS232再转USB接头。上位机通过组态编程软件进行界面编程，主要显示两部分内容，一是检测到的转角信号;二是5路输出电压信号的占空比。

3.3  调试结果

为了验证次控制系统能否应用，可用手旋转编码器，使其转过一定角度，通过观察上位机软件，可发现占空比相应发生变化，相应地，每个人工肌肉的收缩程度发生变化，整体效果相当于人工肌肉产生了关节转动的效果。因此，可以通过这种方式，将多根人工肌肉集成一束肌肉纤维，通过此种控制方式，来模拟肌肉收缩，产生关节转动的效果，从而在原有人力的基础上，增加关节和肌肉的动力。

4  发展与展望

本文提出了采用人工肌肉替代传统液压、电气、电动等方式助力的机械外骨骼方法，减小了设备的重量、提升了系统的可靠性，并研究了人工肌肉应用于外骨骼的可行性，在FPGA主控板上进行了控制方式的编程实现。但是目前存在以下问题，一是人工肌肉材料的性能研究目前只是在实验室阶段，还未走出实验室，下一步还需要进行实际的性能检验;二是该控制方法只是在没有实际控制部件情况下的方法，具体的控制策略需要具体数据，这些数据需要从实际实验当中获得，因此还需要进一步等到人工肌肉材料走出实验室以后进行实验测定。

参考文献：

[1] 明东，蒋晟龙，王忠鹏，等.基于人机信息交互的助行外骨骼机器人技术进展 [J].自动化学报，2017，43（7）：1089-1100.

[2] 陈雷.气动人工肌肉位置控制的研究 [D].兰州：兰州理工大学，2010.

[3] 仲军.气动肌肉驱动的仿青蛙跳跃机器人及其关键技术的研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.

作者简介：徐成（1987.12-），男，汉族，甘肃白银人，硕士研究生，讲师，研究方向：机电一体化、通信工程、军事职业教育等。